Способ получения тлеющего разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах. Технический результат - расширение диапазона изменения разрядного промежутка и увеличение тока, плотности тока на электродах и мощности разряда. Устройство для реализации способа состоит из сосуда, токоподвода, выполненного в виде пластины с отверстием, к которому снизу прикреплен патрубок, соединенный с гидронасосом. В сосуд налит электролит. Токоподвод погружен в электролит на глубину h. Над электролитом размещен водоохлаждаемый твердотельный анод. Между электролитом и анодом оставлен зазор. К сосуду подведен патрубок от системы подачи электролита. Отверстие токоподвода и анод размещены друг относительно друга так, что расстояние от края отверстия до анода составляет не менее 10 мм. Поступление электролита от системы подачи и откачка электролита гидронасосом устанавливаются таким образом, чтобы токоподвод находился ниже уровня электролита в сосуде. При этом верхние слои электролита, находящиеся выше токоподвода, стекают к отверстию, а через него попадают в патрубок, соединенный с гидронасосом. Далее перемещением анода в вертикальном направлении устанавливается длина разрядного промежутка и с помощью известных способов зажигается разряд между электролитом и электродом. Электролит служит катодом, а водоохлаждаемый электрод - твердотельным анодом. В начальный момент происходит интенсивная конденсация паров электролита на холодном электроде. Электрод “потеет” и жидкая пленка конденсата по его поверхности стекает вниз. Чтобы капли конденсата не попали в разрядный промежуток между электролитом и электродом, необходимо установить начальную плотность тока не менее 0,5-0,6 А/см². При такой плотности тока на жидком катоде за счет испарения электролита образуется достаточно интенсивный поток пара, направленный от катода к аноду, который оттесняет жидкую пленку конденсата на поверхности анода вверх и тем самым обеспечивает горение разряда в режиме тлеющего разряда. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам получения, исследования и применения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в плазмохимии, плазменных технологиях обработки материалов и плазменной технике, в частности в плазмохимических реакторах.

Известен способ получения тлеющего разряда атмосферного давления между электролитом, налитым в сосуд с токоподводом, и неохлаждаемым твердотельным анодом [Гайсин Ф.М., Сон Э.В., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990, с.54-57]. Недостатком способа является то, что оба электрода - жидкий электролитный катод и твердотельный анод нагреваются при длительной работе: катод-электролит начинает кипеть, а анод плавится и разрушается.

Известен другой способ, который позволяет увеличить продолжительность горения тлеющего разряда между жидким катодом и твердотельным анодом [Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разрядов в атмосфере между электролитом и медным анодом //ФизХОМ, 1985, №4, с.58-64]. В этом известном способе твердотельный анод охлаждается водой, а жидкий катод в виде электролита подается в сосуд с токоподводом и оттуда вытекает самотеком. Недостатки данного способа заключаются в следующем: 1) малая скорость течения электролита, вследствие чего низкая интенсивность отвода теплоты от жидкого катода; 2) малая мощность разряда; 3) невозможность работы при межэлектродном зазоре менее 3-4 мм в случае больших токов, когда происходит интенсивное испарение электролита, т.к. при этом пары конденсируются на аноде и провисающие капли электролита замыкают межэлектродный промежуток.

Прототипом устройства для осуществления способа выбрано устройство, содержащее электролитическую ячейку, состоящую из открытого сосуда, снабженного токоподводом, и электролита, водоохлаждаемый анод и систему подачи электролита [Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А., Камалов P.P. Энергетические характеристики разрядов в атмосфере между электролитом и медным анодом //ФизХОМ, 1985, №4, с.58-64].

Задачей изобретения является расширение диапазона изменения разрядного промежутка, увеличение тока, плотности тока на электродах и мощности разряда.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения тлеющего разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, заключающемся в зажигании высоковольтного разряда атмосферного давления между движущейся поверхностью жидкого электролита и твердотельным электродом, расположенным с зазором над электролитом, движение электролита создается за счет принудительной откачки поверхностных слоев электролита.

В устройстве для получения тлеющего разряда, содержащем электролитическую ячейку, состоящую из открытого сосуда, снабженного токоподводом, и электролита, водоохлаждаемый твердотельный анод и систему подачи электролита, токоподвод выполнен в виде пластины с отверстием и установлен внутри сосуда в горизонтальном положении ниже уровня электролита на 5-10 мм; с нижней стороны токоподвода к отверстию прикреплен патрубок, соединенный с впускной трубой гидронасоса, причем отверстие на токоподводе и твердотельный анод смещены друг относительно друга так, чтобы расстояние между краем отверстия и анодом было не менее 10 мм.

На чертеже показано устройство для реализации способа. Устройство состоит из сосуда 1, токоподвода 2, выполненного в виде пластины с отверстием 3, к которому снизу прикреплен патрубок 4, соединенный с гидронасосом. В сосуд 1 налит электролит 5. Токоподвод 2 погружен в электролит 5 на глубину h. Над электролитом 5 размещен водоохлаждаемый твердотельный анод 6. Между электролитом 5 и анодом 6 оставлен зазор l. К сосуду 1 подведен патрубок 7 от системы подачи электролита.

Отверстие 3 токоподвода и анод 6 размещены друг относительно друга так, что расстояние от края отверстия 3 до анода 6 составляет не менее 10 мм.

Способ осуществляется следующим образом. Поступление электролита от системы подачи и откачка электролита гидронасосом устанавливаются таким образом, чтобы токоподвод 2 находился ниже уровня электролита в сосуде 1. При этом верхние слои электролита, находящиеся выше токоподвода 2, стекают к отверстию 3, а через него попадают в патрубок 4, соединенный с гидронасосом. Глубина погружения h составляет 5-10 мм. Если h<5 мм, то в патрубке 4 возможно образование воздушной воронки, что затрудняет откачку электролита гидронасосом, а также возможен пробой межэлектродного промежутка. Если же h>10 мм, то уменьшается скорость движения верхних слоев электролита и снижается положительный эффект от предлагаемого способа.

Далее, перемещением анода 6 в вертикальном направлении устанавливается длина l разрядного промежутка и с помощью известных способов зажигается разряд между электролитом 5 и электродом 6. Электролит 5 служит катодом, а водоохлаждаемый электрод 6 - твердотельным анодом. Разряд горит в режиме тлеющего разряда при значениях l не превышающих ~12 мм. Как известно, необходимым условием для получения тлеющего разряда является использование слабоконцентрированных (менее 3% по массе) водных растворов солей, щелочей и кислот в качестве электролита.

В начальный момент происходит интенсивная конденсация паров электролита на холодном электроде 6. Электрод 6 "потеет" и жидкая пленка конденсата по его поверхности стекает вниз. Чтобы капли конденсата не попали в разрядный промежуток l между электролитом 5 и электродом 6, необходимо установить начальную плотность тока не менее 0,5-0,6 А/см². При такой плотности тока на жидком катоде за счет испарения электролита 5 образуется достаточно интенсивный поток пара, направленный от катода 5 к аноду 6, который оттесняет жидкую пленку конденсата на поверхности анода 6 вверх и тем самым обеспечивает горение разряда в режиме тлеющего разряда.

Плотность тока на электродах растет с увеличением тока. Чем больше плотность тока на катоде, тем интенсивнее нагревается электролит 5. Если тепло плохо отводится от верхнего слоя электролита, то начинается пузырьковое кипение электролита 5. При этом электролит разбрызгивается, крупные капли электролита попадают в разрядный промежуток l и нарушается режим горения тлеющего разряда. Режим горения разряда также нарушается и разряд становится нестабильным, если анод 6 находится над отверстием 3 токоподвода 2. Поэтому анод 6 необходимо удалить в сторону от отверстия 3.

Положительный эффект предлагаемого способа состоит в том, что движение, сообщаемое поверхностным слоям электролита, предотвращает пузырьковое кипение электролита. Электролит испаряется в режиме пленочного кипения без разбрызгивания. Тем самым обеспечивается стабильный режим горения тлеющего разряда. При этом становится возможным повысить плотность тока на электродах до предельно возможных значений.

В экспериментах, в которых в качестве электролита использовался водный раствор поваренной соли с массовой концентрацией 0,05%, предельное значение плотности тока на жидком катоде составляло ~1 А/см², а на стальном аноде до 3 А/см. Эксперименты проводились в диапазоне токов от 1 до 8 А, мощность разряда составляла 3-10 кВт. Таким образом, достигнуто существенное увеличение тока, плотностей тока на электродах и мощности разряда, а также расширен диапазон изменения межэлектродного расстояния в сторону малых значений l (до 1 мм).

Формула изобретения

1. Способ получения тлеющего разряда между жидким электролитным катодом и твердотельным анодом, заключающийся в зажигании высоковольтного разряда атмосферного давления между движущейся поверхностью жидкого электролита и твердотельным электродом, расположенным с зазором над электролитом, отличающийся тем, что движение электролита создается за счет принудительной откачки поверхностных слоев электролита.

2. Устройство для получения тлеющего разряда, содержащее электролитическую ячейку, состоящую из открытого сосуда, снабженного токоподводом, и электролита, водоохлаждаемый твердотельный анод и систему подачи электролита, отличающееся тем, что токоподвод выполнен в виде пластины с отверстием и установлен внутри сосуда в горизонтальном положении ниже уровня электролита на 5-10 мм, с нижней стороны токоподвода к отверстию прикреплен патрубок, соединенный с впускной трубой гидронасоса, причем отверстие на токоподводе и твердотельный анод смещены относительно друг друга так, чтобы расстояние между краем отверстия и анодом было не менее 10 мм.

РИСУНКИРисунок 1